JP4656727B2 - Active vibration isolation system identification with improved noise reduction - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、周囲振動を低減させる能動制御システムに関し、特に、信号ろ過を使用して、推定した乗り物の構造動力学に対する調整を反映する制御信号を生成することに関する。この制御信号は、乗り物の周囲振動を低減させる一以上の振動発生機に送られる。
【0002】
【従来の技術】
ヘリコプタや飛行機のような乗り物の内部において振動が望ましくないレベルに達して、乗り物内が不快な環境になる場合がある。これは、特に、動翼が空気を介して航空機を支持して推進するときに動翼によって発生する負荷に応答して振動するヘリコプタにあてはまる。従来、ヘリコプタ製造業者は、航空機の乗り心地を受け入れられるようにするために、機械的隔離や吸収の原理を使用する様々な防振方法を使用している。これらの方法は、「受動型」と表わしてもよく、航空機の固有の構造動力学を修正して、騒がしい負荷特性における一般的な周波数に対するその応答を「離調」することによって、振動を攻撃する。他の方法は、動力を供給されたアクチュエータを使用して、周囲振動を無効にする振動場を生成するような方法で振動負荷を構造体に加える。この種の方法は、防振の領域では、アクチュエータが無効にする振動場を能動的に発生させることを指令される意味で、「能動型」として表わされる。
【0003】
能動防振システムを良好に実現する鍵となる構成要素は、アクチュエータへの指令を適当に決定することである。アクチュエータ力とこれらの力に対する振動応答との関係が事前に知られている場合には、アクチュエータへの指令を適当に選択するために、「決定論的」制御アルゴリズムを使用することができる。しかし、構造動力学は、燃料の消費や貨物の再分配によって影響され、あるいはヘリコプタの場合には回転翼の速度が操作中に変化するときに回転翼の負荷の周波数が変化するために影響されるので、アクチュエータ力と振動応答との関係が事前に知られていないか変化する場合が多い。このような場合に、「オンラインシステム同定」を使用して、制御を変化させる間に得られた情報を使用し、アクチュエータ力と振動応答との関係の推定値を確立したり修正してもよい。この推定値は、振動を低減させるために、その後の制御の反復中に使用される。
【0004】
本発明が適当に使用される制御システムの典型的な環境は、NASA契約者レポート3821の1−30頁の「ヘリコプタのリアルタイム自己適応能動防振装置のアルゴリズムの改善および評価」に説明されているような最小の分散制御装置の環境である。この制御装置は、アクチュエータの指令とシステム応答との間に以下の伝達行列の関係によって表すことができる準静的直線関係がある近似を使用している。
【0005】
【数2】
i=τ(Ui−Ui-1)+Zi-1+V+E
ここで、Ziは時間iにおけるn次元の測定振動応答、Zi-1は時間i−1における振動応答のn次元の状態ベクトル、Uiは時間iにおけるアクチュエータに対するm次元の指令、Ui-1は時間i−lにおけるアクチュエータに対するm次元の指令、Vは外乱による測定振動のn次元の変化、Eは測定ノイズの変化による測定振動の変化、τはm次元の伝達行列によるnの現在の推定値である。
【0006】
最小の分散制御装置は、以下の性能範疇を最小化することによって得られる。
【0007】
【数3】
J=E{(Zi−ZoptTZ(Zi−Zopt)+Ui TUi+ΔUi TΔ UΔUi}ここで、Jは性能指数(スカラ)、Eは期待値、Zoptはセンサ位置(典型的にゼロ)における所望の振動のベクトル、Zはセンサ位置における測定振動のベクトル、WZは出力(振動)パラメータ上の対角重みづけ行列、Uはアクチュエータに対する指令入力、WUはアクチュエータの指令の振幅を拘束する対角重みづけ行列、ΔUはアクチュエータに対する指令入力の変化、WΔ Uは指令入力の変化率を拘束する対角重みづけ行列、Tはベクトルまたは行列の転置、iは離散的時間増分のカウンタである。
【0008】
性能指数Jが測定出力パラメータおよび操作量を含むので、各々の出力パラメータおよび操作量を個々に重みづけして、他の構成要素よりも重要にするか重要でないようにすることができる。
【0009】
局部的なモデルに決定論的制御装置を使用すると、i番目の回転翼の回転についてのアクチュエータへの指令入力の最適な変化ΔUは、以下のようになる。
【0010】
【数4】
ΔUi=−D[WUi-1+τTZ(Zi-1−Zopt)]
ここで、ΔUiは性能指数を最小にするために必要な最適操作量、D=(τTZτ+WU+WΔ U-1であり、他の変数は上述したものと同じである。
【0011】
Jを最小にすると、最適な制御装置に対する解は、次の制御ステップを決定する情報を提供する。制御性能を改善するためには、行列τの正確な推定値が非常に重要である。リアルタイムの用途では、τの要素を追跡するためにカルマンフィルタを使用するのが有用である。値τを正確に追跡する以前の試みは、カルマンフィルタのために、システムおよび測定ノイズの悪影響を適切に抑制することができなかった。例えば、キングの米国特許4,819,182号は、励振周波数に対応する周波数で振動する複数のアクチュエータを使用して、ヘリコプタ胴体の振動を低減させる方法および装置を開示している。複数の加速度計によって、動的加速を示す信号を発生させる。アクチュエータは、処理装置によって制御される。この特許は、システムの動力学を評価する手段として共分散値を修正することを開示していない
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
多くの用途では、カルマンフィルタのアルゴリズムの実現は、測定ノイズおよびシステムノイズが互いに独立し、ガウス分布を有し、ゼロ平均を有すると仮定する。これらの仮定が有効な場合、標準カルマンフィルタ方法は、アクチュエータ力と振動の間の関係の推定に対するノイズの悪影響を減少させるのに有効な方法となり得る。これらの仮定が有効でない場合、標準方法は有効でなく、劣等な推定になり、したがって、制御の決定用の推定値を使用する制御システムの性能が低下する。本発明の目的は、この点で標準カルマンフィルタ方法の短所について言及することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、周囲振動の低減に使用される制御信号を発生させるために、力学的に有効にされ且つ更新されたデータを利用する制御システムを提供することである。したがって、本発明の一実施例は、乗り物に取り付けられて連続する第一および第二の周囲振動信号を発生させる少なくとも1つのセンサを有するシステムに関する。これらの周囲振動信号は、第一および第二の検知状態に対応する。一以上のアクチュエータが乗り物に取り付けられて、乗り物に加えられる振動低減アクチュエータ力を発生させる。データモジュールがセンサおよびアクチュエータに連結されてデータを蓄積する。このデータは、少なくとも1つのアクチュエータ力をその力に対する少なくとも1つのセンサ応答に関連させて、蓄積したデータを出力する。カルマンフィルタを含む制御回路は、連続した第一および第二の周囲振動信号をセンサから受信し、出力データをデータモジュールから受信する。制御回路は、第一の制御信号を発生させて、第一の周囲振動信号に対応する関連するアクチュエータに送る。制御回路は、カルマンろ過と、データモジュールにおいてデータを修正するアクチュエータ力の関数である共分散とを利用する。制御回路は、第二の周囲振動信号とデータモジュールの修正データとの関数である第二の制御信号を出力する。
【0014】
本発明の第二の実施例は、乗り物内の騒音を低減させるシステムに関する。このシステムは、乗り物内の周囲振動を検知することを含む。検知された周囲振動に対応する周囲振動信号が発生する。この周囲振動信号は、制御信号を生成するために処理される。制御信号は、一定値をアクチュエータ力の変化によって分割し整数累乗したものに対応する動的共分散の関数である。制御信号は、周囲振動の低減のために振動場を発生させるアクチュエータへの出力である。アクチュエータ力は、制御回路から送られた制御信号の関数である。
【0015】
【実施例】
本発明は、振動発生機を動作させて乗り物内の振動を低減させるために使用される制御信号を発生させることによって、振動の低減を高めたオンラインシステム同定を提供する。この制御信号は、最適なアクチュエータ指令を算出する基準として乗り物の構造動力学の推定値を使用する制御回路によって生成される。乗り物の構造動力学の推定値は、先行する制御ステップにおいてアクチュエータ指令の適用中に集められた応答情報を使用する修正カルマンフィルタ方法によって決定される。修正カルマンフィルタ方法は、騒音の存在下で実際の乗り物の構造動力学を標準カルマンフィルタ方法よりも正確に評価することができる。改善された推定の結果、制御回路は振動を低減させるのにより有効である。
【0016】
図面を参照する。いくつかの図において同様の参照符号が対応するまたは同様の構成要素を特定する。図1は、乗り物122に利用される改良した振動低減システム10を示す。乗り物122は、振動を検知するとともに検知した振動を示す信号を制御装置118に送るセンサ110(a)−(d)を含む。制御装置118は、受信した振動信号を処理して、制御指令信号を発生させ、アクチュエータ114(a)および114(b)に送る。アクチュエータ114は、補償力を発生させて乗り物122内の検知振動を低減させることによって、制御命令に応答する。
【0017】
乗り物122は、図1ではヘリコプタとして描かれているが、固定主翼航空機も適しており、あるいはフライトシミュレータ装置または検知される周囲振動を振動源から生成するどのような装置でもよい。乗り物122は、乗り物122に取り付けられた一以上のセンサ110を含む。例示として、センサ110は、4つのセンサ110(a)−(d)として示されているが、乗り物122の設計に適したどのような数のセンサでもよい。センサ110の数および位置は、設計上の選択であり、本発明を理解するためには重大ではない。図1は、乗り物122の操縦席に取り付けられたセンサ110(a)および110(b)を示している。センサ110(c)は乗り物122の前部の客室に配置され、センサ110(d)は後部の客室に配置されている。センサ110は、乗り物122内の周囲振動を検知する。センサ110によって検知される周囲振動は、振動負荷によって生成される。振動負荷の例は、回転翼126から生じる振動やスタビレータ130から生成される振動を含む。また、乱流、ダウンウォッシュ、突風および他の振動を発生させる事象のような外力が、乗り物122に不要な周囲振動を引き起こす。
【0018】
センサ110は、この振動データを検知して、対応する周囲振動信号を制御回路(制御装置ともいう)118に送る。制御回路118は、中間コネクタ136を介してセンサ110から受信した周囲振動信号を処理する。中間コネクタ136は、センサ110(a)−(d)から制御回路118まで信号を送ることができるどのような装置でもよい。典型的な中間コネクタ136は、電線または赤外線信号伝送手段である。
【0019】
制御回路118は、メモリおよび処理能力を含み、典型的には、デジタル信号処理装置(DSP)、マイクロプロセッサまたは80486プロセッサのような処理装置である。当業者は、事実上適切なメモリおよび速度を有するすべてのプロセッサを、制御回路118によって行われる処理に使用することができることを認識するであろう。制御回路118は、センサ110から受信した検知された周囲振動信号をろ過するように、ソフトウェアを実行し、または予めプログラムされている。特に、制御回路118は、カルマンろ過能力およびソフトウェアまたはハードウェアを利用して、システム10におけるデータを有効にし、更新し、利用する共分散値を生成する。制御回路118は、システムの状態および入力のいくつかの数学的関数を最小にしようとするどのような制御機構も具体化する。これらのシステムは、「最適の制御システム」として当業者に知られている。制御回路118は、114(a)および(b)として示される振動発生機ユニット114に送られる一以上の制御信号(説明のために単一の制御信号として示す)を発生させる。この制御信号は、センサ110から受信した検知された周囲振動信号の有効性を決定する確認手続の結果となる。
【0020】
振動発生機ユニット(ここでは発生ユニットまたはアクチュエータという)114は、中間コネクタ138を介して制御回路118に適当に連結されて、制御回路118から一以上の制御信号を受信する。中間コネクタ138は、電線、当業者に知られているような赤外線透過手段、または制御回路118から振動発生機ユニット114に制御信号を送るどのような手段でもよい。図1は、振動発生機114(a)および(b)を示しているが、乗り物122の設計に適したどのような数の発生機ユニットも使用することができる。図1は、単に例示のために2つの発生機ユニット114(a)および(b)を示しており、発生機ユニット114の数量および位置は、設計上の選択であり、本発明を理解するためには重大でない。発生機ユニット114は、アクチュエータまたは振動場を発生させることができるどのような装置でもよい。発生機ユニット114は、乗り物がヘリコプタの場合には、典型的には主回転翼126付近に取り付けられ、他の乗り物の場合には適当な位置に取り付けられる。発生機ユニット114(a)および(b)は、乗り物122に取り付けられ、有効に振動低減場を発生させる。この振動低減場は、乗り物122の動力学に不利な影響を及ぼすような前述した振動負荷源から発生した振動を相殺するために使用される。
【0021】
図2は、センサユニット110および振動発生機ユニット114に連結された制御回路118を含むシステム10のブロック図を示している。センサユニット110は、環境、典型的には乗り物の内部、において検知された周囲振動に対応する振動信号を発生させる。この信号は、中間コネクタ136を介して制御回路118に送られる。制御回路118は、148として示されるプロセッサと、CRTのような一以上の監視装置ユニット144と、典型的にはデータ構造である複数のモジュールを蓄積するメモリ146と、一以上の乗り物の動的データ行列147と、の組合わせからなるのが適当である。制御回路118は、一以上のカルマンフィルタ140(a)…(i)を有する。制御回路118は、アルゴリズムおよびソフトウェアまたはハードウェアの指令を含み、センサ110から受信した振動信号を反転させ、あるいは受信した信号を処理して反転振動信号を発生させ、この反転振動信号によって振動発生機ユニット114が振動低減場を発生させる。制御装置118のための処理指令は、制御回路118のメモリ146に適当に蓄積されるか、ソフトウェアとして制御回路118にダウンロードされる。また、メモリ146は、乗り物の動力学に関する情報を蓄積する。この情報は、典型的には、以前の振動発生機の力に基づく乗り物の応答の推定値を示すデータを含むデータ行列147として蓄積される。あるいは、このデータ行列の内容を、制御回路118から離れて配置されたメモリに蓄積してもよい。制御回路118は、一以上のカルマンフィルタ140(a)…(i)を含む(iはシステムの設計に従う任意の数であるが、本明細書中では複数のカルマンフィルタ140(a)…(i)を単一のカルマンフィルタ140として述べる)。
【0022】
カルマンフィルタ140は、前の状態推定値および観察したシステム変数や測定したシステム変数の入力に基づく状態推定を更新する。これらのシステム変数は、システム変数データをカルマンフィルタ140に直接入力できるようにリアルタイムで測定され、あるいはシステム変数データをカルマンフィルタ140に入力する前に蓄積してもよい。
【0023】
制御回路118に適当に記憶または予めプログラムされる制御装置のアルゴリズムは、センサ110から受信した信号を処理して、中間コネクタ138を介して振動発生機ユニット114に送られる適当な制御信号を発生させる機構である。
【0024】
一定時間にセンサ110によって測定された周囲振動の測定値は、Zとして示されるnx1次元のベクトルに集めてもよい。同様に、振動発生機(アクチュエータ)114によって働く力は、Uで示されるmx1次元のベクトルに集めてもよい。アクチュエータ力の変化(ΔU)とそれによって生じるセンサ測定値の変化(ΔZ)との間の関係は、行列方程式ΔZ=τΔUとして表してもよい。ここで、τはnxm次元のデータ行列147である(データ行列τ147に蓄積された値は、上述した方程式で適当に使用される)。データ行列τ147の要素の値は、物理的特性、すなわち乗り物の構造動力学によって決定され、行列147に適当に蓄積される。この行列147は、制御回路118内に示されているが制御回路118から離れて適当に配置され且つ制御回路118と連絡するようにもし得る。データ行列τのパラメータの例は、次のとおりである。τ11はアクチュエータ数1における力の指令の単位変化によるセンサ数1における応答の変化、τ12はアクチュエータ数2における力の指令の単位変化によるセンサ数1における応答の変化、などである。
【0025】
典型的には、ΔUおよびΔZの大きさは、実際の量を操作してその量の関数を生成する結果である、ある尺度の量を示す(例えば、電気信号増幅および減衰量または信号処理)。このモデルに基づく制御を決定するために多くのアルゴリズムを使用してもよい。スカラ性能指数を最小にしようとするこのようなアルゴリズムの1つの例は、次のとおりである。
【0026】
【数5】
cost=ZTZZ+UTUU+ΔUTΔ UΔU
ここで、WZはセンサ測定値の対角重みづけ行列、WUは操作量を拘束する対角重みづけ行列、WΔ Uは操作量の変化率を拘束する対角重みづけ行列、ΔUはアクチュエータ力の変化、Uはアクチュエータ指令力、Zは周囲振動信号、Tはベクトルまたは行列の転置行列を表わす。
【0027】
離散時間制御方式の用途の状況における上記の目的を使用すると、i番目のステップの制御アルゴリズムは、以下の形態を取る。
【0028】
【数6】
ΔUi=−(τTZτ+WU+WΔ U-1[WUi-1+τTZ(Zi-1)]
ここで、(−1)は行列反転を示し、τはアクチュエータ指令の変化に対するセンサ応答変化に関する上述した伝達行列である。
【0029】
この制御アルゴリズムの性能の非常に重要な構成要素は、要素が蓄積されたデータ行列τ147の正確な同定、すなわち乗り物の構造動力学を適当に特徴づけるτの値の決定である。制御回路118を作動させる前にこの同定を行う一つの方法は、各々のセンサ110でその応答を測定しながら、単に各々のアクチュエータ114から一つずつアクチュエータ力を指令することである。しかし、従来の周囲振動低減システムでは、データ行列τ147の要素が非定値の場合、すなわちτの要素が動作中に変化する場合には、これは困難である。ヘリコプタのような乗り物の能動振動制御システムの場合には、多くの要因がデータ行列τ147の非定値の要素を引き起こす。例えば、回転翼の速度が変化して振動数が変化すると、アクチュエータ力によるセンサ110の応答の感度は、励振周波数とヘリコプタ胴体の固有周波数との間の関係の変化により変化する。データ行列τ147の要素の変化を生成し得るいくつかの他の要因は、乗客の移動または燃料の消費から生じる胴体の質量分布の変化であり、これがヘリコプタの構造動力学に影響を及ぼす。
【0030】
制御回路118において使用されるデータ行列τ147の要素の値が乗り物の特性を正確に反映しない場合には、制御回路118の性能が不安定性のいくつかの場合の点までかなり低下し得る。データ行列τ147の要素であるτの値をより正確に決定するために、カルマンフィルタは以下の形態で使用することができる。
【0031】
【数7】
τi=[τT i-1+Ki(ΔZi T−ΔUi TτT i-1)]T
ここで、Kiはカルマンゲイン行列、Ki=PiΔUii -1、Mi=Pi-1+Qi-1、Pi=Mi−MiΔUi(ΔUi TiΔUi+Mi-1ΔUi Ti、ΔUはアクチュエータ力の変化、ΔZはセンサ信号の変化、Tは行列の転置行列、Rは振動測定ノイズの共分散、Qはシステムノイズの共分散、すなわち動作環境の変化またはシステム構造動力学の変化による振動の変動の共分散である。
【0032】
カルマンフィルタは、測定およびシステムノイズの効果をろ過して取り除きながら、τの推定値に乗り物の構造動力学の変化を反映させる。
【0033】
カルマンフィルタの導出において、量(R)および(Q)は、それぞれ測定信号ノイズの共分散および状態の変化の原因となる力ベクトルの共分散である。カルマンフィルタが行列τを識別するために使用される場合には、「測定ノイズ信号」の意味をより一般に解釈、すなわちτ行列のノイズとして解釈しなければならないと認識することが重要である。τ行列の各々の要素が、アクチュエータ指令の変化に対するセンサ応答の変化の比として有効であるので、「測定ノイズ」は、アクチュエータ指令の変化の関数である。
【0034】
図3は、測定したτ行列要素t11の可変性をアクチュエータ指令の変化の関数として示し、これによって、τ行列のノイズがアクチュエータ指令の変化に依存することを示している。τ11=ΔZ11/ΔU11 であること、すなわちt11アクチュエータ1における指令の変化に対するセンサ1の測定された応答の変化の比であることを思い出して欲しい。アクチュエータへのある範囲の令をシステムに適用して、アクチュエータ指令の各々の変化に対して生じる応答の変化を測定する一連の実験を行った。図3は、多数の試料について、x軸上の指令の変化、y軸上の指令の変化に応答する変化の比(すなわちτ行列要素)と、の関係をプロットした結果を示している。斜線領域310は値の範囲を示している。ΔUの小さな値に対するτ行列値の範囲がΔUの大きい値に対するτ行列値の範囲よりも非常に幅広いものとなる(すなわちΔUが減少するとτ行列のノイズが増加する)ことに留意されたい。この関係は、Zの測定に関連するノイズがUから独立していても存在する。
【0035】
図3は、ノイズを制御するために、共分散値(R)および(Q)を画定する必要があることを示している。カルマンフィルタを使用する多くのシステムでは、(R)および(Q)を一定にしている。局部的モデルを使用する制御装置を使用する場合、すなわち、システムの「入力」が絶対的なアクチュエータ力ではなく、アクチュエータ力の変化である場合には、量(R)および(Q)をアクチュエータ指令の変化の関数として見るのがより適当である。適切に表すと、システムが大きい指令にさらされるときに集められた情報は、τの推定において、指令の変化が小さいときに集められた情報よりも重く重みづけされる。
【0036】
データ行列τの要素をより正確に定義するために、カルマンフィルタのアルゴリズムの共分散(R)は、次のように定義される。
【0037】
【数8】
R=(Kvar/|ΔU| )
ここで、Kvarは経験的に引き出された定数であり、その値はシステムに存在するノイズより高い応答の変化を生成するΔUの値に近い。Kvarの値は、重み定数として使用される。量|U|は、制御ベクトルの変化の大きさ、すなわち|ΔU|=SQRT(ΣΔU )である。Nは、いずれかの値の整数であるが、典型的に1より大きい実数であり、試験によって確立される。上述したようにカルマンフィルタのアルゴリズムにおいて(R)を利用する効果は、データ行列τの要素の変更がアクチュエータ力の変化ΔU の関数であることである。
【0038】
特に、上述した形態の(R)の使用は、τを推定するために、アクチュエータ指令の大きな変化の間に集められた情報を重視し、小さい変化の間に集められた情報を重視しない。このようにすることによって、τ行列の推定におけるノイズの悪影響が大きく減少する。
【0039】
図4は、制御回路によって生成された制御信号を発生させるステップのフローチャートを示す。制御信号は、アクチュエータ力のデータと、制御回路に予めまたは事前に蓄積された情報に基づいて繰返し更新されたデータ行列τからのデータを含む。この処理は、ステップ402に示すように、振動を検知するとともに、検知された振動信号を発生させることによって始まる。この検知された振動信号は、ステップ404に示すように、制御回路に送られる。ステップ405は、検知された振動信号が処理されることを示す。ステップ406では、アクチュエータ力が、乗り物で検知される振動を最小にするために算出される。この計算は、データ行列τにおける現在の値に基づく。ステップ408では、ステップ406で算出されたアクチュエータ力を発生させる信号が、アクチュエータに送られる。アクチュエータは、乗り物の検知された振動を無効にするか略ゼロ値にする振動力を発生させる。ステップ410に示すように、周囲振動は、例えば、前述したセンサによって検知される。これらのセンサは、検知された周囲振動信号を制御回路に送る。ステップ412では、制御回路は、周囲振動信号を受信し、入力を利用して、データ行列τにおける更新された推定値を算出する。この更新プロセスは、カルマンろ過および共分散値(R)を利用する。共分散(R)は、乗り物に働いた前の補償力からの入力データを利用してその力の大きさおよびノイズレベルに基づく力の有効性を決定する適応的特徴を有する。この共分散(R)を使用して、データ行列τのための新しい推定値を算出でき、したがって第二の制御信号を算出して、第二のアクチュエータ力を活性化する(すなわち振動発生機は第二の制御信号に応答して振動を発生させる)。典型的には、この制御信号データは、行列フォーマットとして蓄積される。制御回路によって制御信号が発生すると、制御回路がこの指令行列に基づく制御信号をアクチュエータに送る。これらのアクチュエータは、送られた制御信号を受信し、検知された振動を相殺するために補償力を発生させ、ステップ413を示すように、乗り物内の周囲ノイズを低減させる。このプロセスは、システムがステップ414に示すように作動する限り繰り返される。
【0040】
図5は、カルマンフィルタデータによって識別されるように、典型的なデータ行列要素τのテストデータのグラフ50を示す。τ行列要素の大きさをY軸上にプロットし、時間をX軸上にプロットした。図5は、周波数入力の変化に応答するτ行列要素の大きさをを示すことによって、本発明の利点を示している。第一の周波数を導入し、第二の周波数を入力し、その後システムを第一の周波数に戻してτ行列応答を決定した(すなわち、指令を示す第二の周波数を入力してその指令に対するシステム応答を決定し、いかに良く検知ノイズを低減させたかを決定した)。線512で示すように試験の最初の半分の間(時間0−1000秒)、τ行列要素は変動した。線536で示すように1000秒と等しい時間に始まる実験の第二の部分は、改善したτ行列応答を示している。
【0041】
514として示されるグラフの部分は、第一の周波数でアクチュエータへの最初の入力中に識別されたτ行列要素を示している。第二の周波数の入力は、点518で導入した。点520は、第一の周波数の第二の入力を示す。グラフの522の部分によって示すように、τ行列要素は、実質的に変動し、第一の周波数の大きさに戻らなかった。
【0042】
点528において、本発明を実施して周波数の変化に対するτ行列応答を決定した。点530で第一の周波数を入力し、点531で第二の周波数を入力した。点532で第一の周波数を入力した。534の部分は、τ行列要素が不変であり、本発明を利用して実質的に変動しなかったことを示している。
【0043】
図5に示すように、本発明は、変動を低減した不変の振動負荷を生成する。変動を低減して比較的不変の動作は、所望の振動低減特性を生成して、乗り物の内部の環境を改善する。制御装置の繰返しの第一の部分512(時間0−1000秒)は、本発明を利用しなかったので、本発明を利用した第二の部分536(時間1000−2000秒)よりかなり大きく変動した。したがって、ここで説明するようにτ行列要素が共分散(R)の関数の場合、変動がかなり減少した。τ行列要素の改善した追跡を利用して、乗り物内の騒音を実質的に低減させることができる。
【0044】
図6は、図5について説明した試験に使用した試験乗り物で得られたτ行列要素の性能指数データのプロットであるグラフ60を示している。性能指数をY軸上にプロットし、時間(秒)をX軸上にプロットした。図6に示す点は、5を6に替えたのを除いて、図5の点に対応する。線612として示される動作の最初の1000秒の間、本発明を実施することなく試験を行った。点614で示す時間ゼロにおいて、第一の周波数の動作について性能指数を算出した。点618は、第二の周波数が試験に導入されたときの性能指数を示している。点620は、システムが第一の周波数で作動するときの性能指数を示している。このグラフによって示すように、点622において性能指数が実質的に変動した。
【0045】
点628において、本発明の改善したオンライン同定法を使用して試験を行った。点630は、第一の周波数で動作中の性能指数を示している。点631において第二の周波数を入力し、点632において第一の周波数を入力した。634の部分の間、性能指数は非常にわずかに変動した。(本発明による)636の部分は、(本発明を使用しない)612の部分と比較して性能指数の変動がかなり減少したことを示している。図6からわかるように、共分散(R)の関数である動的なτ行列を使用することによって達成される改善されたろ過は、性能指数の変動を実質的に除去した。
【0046】
また、本発明はフライトシミュレータ装置にも適用される。このような実施例では、シミュレーションした振動およびシミュレーションしたアクチュエータ力を発生させることができる。シミュレーションしたデータを使用してデータ行列を発生させることができる。その結果、すなわちシミュレーションした乗り物の運動を得ることができ、コンピュータメモリに蓄積することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のためのヘリコプタの環境を示す図。
【図2】 本発明の構成要素のブロック図。
【図3】 アクチュエータ指令レベルの変化の関数としてτ行列要素の関係を示すグラフ。
【図4】 力学的に有効にされ且つ更新されたパラメータを含む制御信号の発生を示すフローチャート。
【図5】 本発明の乗り物の動的データの行列要素を示すグラフ。
【図6】 本発明の性能指数を示すグラフである。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to active control systems that reduce ambient vibrations, and more particularly, to using signal filtering to generate control signals that reflect adjustments to estimated vehicle structural dynamics. This control signal is sent to one or more vibration generators that reduce ambient vibrations of the vehicle.
[0002]
[Prior art]
In a vehicle such as a helicopter or an airplane, vibration may reach an undesirable level, resulting in an uncomfortable environment inside the vehicle. This is especially true for helicopters that vibrate in response to loads generated by the moving blades as they move and support the aircraft through the air. Traditionally, helicopter manufacturers use a variety of vibration isolation methods that use the principles of mechanical isolation and absorption in order to be able to accept the comfort of an aircraft. These methods may be described as “passive” and attack vibration by modifying the aircraft's inherent structural dynamics and “detuning” its response to common frequencies in noisy load characteristics. To do. Another method uses a powered actuator to apply a vibration load to the structure in such a way as to generate a vibration field that negates ambient vibrations. This type of method is represented as “active” in the anti-vibration region in the sense that it is commanded to actively generate a vibration field that the actuator disables.
[0003]
The key component to successfully implement an active vibration isolation system is to appropriately determine the command to the actuator. If the relationship between the actuator forces and the vibration response to these forces is known in advance, a “deterministic” control algorithm can be used to properly select the commands to the actuators. However, structural dynamics are affected by fuel consumption, cargo redistribution, or in the case of helicopters because the rotor load frequency changes when the rotor speed changes during operation. Thus, the relationship between actuator force and vibration response is often not known in advance or changes. In such cases, “online system identification” may be used to establish or modify an estimate of the relationship between actuator force and vibration response using information obtained while changing control. . This estimate is used during subsequent control iterations to reduce vibrations.
[0004]
A typical environment for a control system in which the present invention is suitably used is described in "Improvement and Evaluation of Helicopter Real-Time Self-Adaptive Active Vibration Isolator Algorithm" on pages 1-30 of NASA Contractor Report 3821. Is the smallest distributed control device environment. ThisThe controller uses an approximation with a quasi-static linear relationship that can be represented by the following transfer matrix relationship between the actuator command and the system response.
[0005]
[Expression 2]
Zi= Τ (Ui-Ui-1) + Zi-1+ V + E
Where ZiIs the n-dimensional measured vibration response at time i, Zi-1Is the n-dimensional state vector of the vibration response at time i−1, UiIs the m-dimensional command for the actuator at time i, Ui-1Is the m-dimensional command for the actuator at time il, V is the n-dimensional change in the measured vibration due to the disturbance, E is the change in the measured vibration due to the change in measurement noise, and τ is the current estimate of n by the m-dimensional transfer matrix Value.
[0006]
The minimal distributed controller is obtained by minimizing the following performance categories:
[0007]
[Equation 3]
J = E {(Zi-Zopt)TWZ(Zi-Zopt) + Ui TWUUi+ ΔUi TWΔ UΔUi} Where J is a figure of merit (scalar), E is the expected value, ZoptIs the desired vibration vector at the sensor position (typically zero), Z is the measured vibration vector at the sensor position, WZIs the diagonal weighting matrix on the output (vibration) parameters, U is the command input to the actuator, WUIs a diagonal weighting matrix that constrains the amplitude of the actuator command, ΔU is the change in command input to the actuator, WΔ UIs a diagonal weighting matrix that constrains the rate of change of the command input, T is a vector or matrix transpose, and i is a discrete time increment counter.
[0008]
Since the figure of merit J includes measured output parameters and manipulated variables, each output parameter and manipulated variable can be individually weighted to be more important or less important than the other components.
[0009]
When a deterministic control device is used for the local model, the optimal change ΔU of the command input to the actuator for the rotation of the i-th rotor blade is as follows.
[0010]
[Expression 4]
ΔUi= -D [WUUi-1+ ΤTWZ(Zi-1-Zopt]]
Where ΔUiIs the optimum manipulated variable required to minimize the figure of merit, D = (τTWZτ + WU+ WΔ U)-1And the other variables are the same as described above.
[0011]
When J is minimized, the solution for the optimal controller provides information to determine the next control step. In order to improve the control performance, an accurate estimate of the matrix τ is very important. In real-time applications, it is useful to use a Kalman filter to track the elements of τ. Previous attempts to accurately track the value τ failed to adequately suppress the adverse effects of system and measurement noise due to the Kalman filter. For example, King US Pat. No. 4,819,182 discloses a method and apparatus for reducing helicopter fuselage vibration using a plurality of actuators that vibrate at a frequency corresponding to the excitation frequency. A plurality of accelerometers generate a signal indicative of dynamic acceleration. The actuator is controlled by the processing device. This patent does not disclose modifying the covariance value as a means to evaluate system dynamics.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
In many applications, the implementation of the Kalman filter algorithm assumes that the measurement noise and system noise are independent of each other, have a Gaussian distribution, and have a zero mean. If these assumptions are valid, the standard Kalman filter method can be an effective way to reduce the negative effects of noise on the estimation of the relationship between actuator force and vibration. If these assumptions are not valid, the standard method is not valid and results in an inferior estimate, thus reducing the performance of the control system that uses the estimate for control decisions. The purpose of the present invention is to refer to the disadvantages of the standard Kalman filter method in this respect.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
It is an object of the present invention to provide a control system that utilizes dynamically validated and updated data to generate control signals that are used to reduce ambient vibrations. Accordingly, one embodiment of the present invention is directed to a system having at least one sensor attached to a vehicle to generate a continuous first and second ambient vibration signal. These ambient vibration signals correspond to the first and second detection states. One or more actuators are attached to the vehicle to generate vibration reducing actuator forces that are applied to the vehicle. A data module is coupled to the sensors and actuators for storing data. This data relates to at least one actuator force with at least one sensor response to that force and outputs accumulated data. A control circuit including a Kalman filter receives continuous first and second ambient vibration signals from the sensor and receives output data from the data module. The control circuit generates a first control signal and sends it to the associated actuator corresponding to the first ambient vibration signal. The control circuit utilizes Kalman filtration and covariance, which is a function of actuator force that modifies data in the data module. The control circuit outputs a second control signal that is a function of the second ambient vibration signal and the correction data of the data module.
[0014]
The second embodiment of the present invention relates to a system for reducing noise in a vehicle. The system includes sensing ambient vibrations in the vehicle. An ambient vibration signal corresponding to the detected ambient vibration is generated. This ambient vibration signal is processed to generate a control signal. The control signal is a function of dynamic covariance corresponding to a constant value divided by a change in actuator force and raised to an integer power. The control signal is an output to an actuator that generates a vibration field to reduce ambient vibration. The actuator force is a function of the control signal sent from the control circuit.
[0015]
【Example】
The present invention provides on-line system identification with increased vibration reduction by generating a control signal that is used to operate a vibration generator to reduce vibrations in the vehicle. This control signal is generated by a control circuit that uses an estimate of the vehicle's structural dynamics as a reference for calculating an optimal actuator command. An estimate of the vehicle's structural dynamics is determined by a modified Kalman filter method that uses the response information collected during application of the actuator command in the preceding control step. The modified Kalman filter method can more accurately assess the structural dynamics of an actual vehicle in the presence of noise than the standard Kalman filter method. As a result of improved estimation, the control circuit is more effective in reducing vibration.
[0016]
Reference is made to the drawings. In the several figures, similar reference signs identify corresponding or similar components. FIG. 1 illustrates an improved vibration reduction system 10 that may be utilized with a vehicle 122. The vehicle 122 includes sensors 110 (a) to (d) that detect vibrations and send a signal indicating the detected vibrations to the control device 118. The control device 118 processes the received vibration signal, generates a control command signal, and sends it to the actuators 114 (a) and 114 (b). Actuator 114 responds to the control command by generating a compensating force to reduce detected vibrations in vehicle 122.
[0017]
Although the vehicle 122 is depicted as a helicopter in FIG. 1, a fixed wing aircraft is also suitable, or may be a flight simulator device or any device that generates ambient vibrations to be detected from a vibration source. The vehicle 122 includes one or more sensors 110 attached to the vehicle 122. Illustratively, the sensors 110 are shown as four sensors 110 (a)-(d), but may be any number of sensors suitable for the vehicle 122 design. The number and location of sensors 110 is a design choice and is not critical to understanding the present invention. FIG. 1 shows sensors 110 (a) and 110 (b) attached to the cockpit of the vehicle 122. Sensor 110 (c) is located in the front passenger compartment of vehicle 122, and sensor 110 (d) is located in the rear passenger compartment. The sensor 110 detects ambient vibration in the vehicle 122. The ambient vibration detected by the sensor 110 is generated by a vibration load. Examples of the vibration load include vibration generated from the rotor blade 126 and vibration generated from the stabilizer 130. Also, external forces such as turbulence, downwash, gusts and other vibration generating events cause unwanted ambient vibrations on the vehicle 122.
[0018]
The sensor 110 detects the vibration data and sends a corresponding ambient vibration signal to a control circuit (also referred to as a control device) 118. The control circuit 118 processes the ambient vibration signal received from the sensor 110 via the intermediate connector 136. The intermediate connector 136 may be any device capable of sending signals from the sensors 110 (a)-(d) to the control circuit 118. A typical intermediate connector 136 is a wire or infrared signal transmission means.
[0019]
The control circuit 118 includes memory and processing capabilities and is typically a processing unit such as a digital signal processing unit (DSP), a microprocessor or an 80486 processor. Those skilled in the art will recognize that virtually any processor with appropriate memory and speed can be used for processing performed by the control circuit 118. The control circuit 118 executes software or is preprogrammed to filter the sensed ambient vibration signal received from the sensor 110. In particular, control circuit 118 utilizes Kalman filtering capabilities and software or hardware to generate covariance values that validate, update, and utilize data in system 10. The control circuit 118 embodies any control mechanism that attempts to minimize some mathematical functions of the system state and inputs. These systems are known to those skilled in the art as “optimal control systems”. The control circuit 118 generates one or more control signals (shown as a single control signal for purposes of illustration) that are sent to the vibration generator unit 114 shown as 114 (a) and (b). This control signal is the result of a confirmation procedure that determines the validity of the detected ambient vibration signal received from the sensor 110.
[0020]
A vibration generator unit (herein referred to as generating unit or actuator) 114 is suitably coupled to control circuit 118 via intermediate connector 138 and receives one or more control signals from control circuit 118. The intermediate connector 138 may be a wire, an infrared transmitting means as known to those skilled in the art, or any means that sends a control signal from the control circuit 118 to the vibration generator unit 114. Although FIG. 1 shows vibration generators 114 (a) and (b), any number of generator units suitable for the vehicle 122 design can be used. FIG. 1 shows two generator units 114 (a) and (b) for illustrative purposes only, and the quantity and location of the generator units 114 is a design choice and for understanding the present invention. Not serious. The generator unit 114 can be an actuator or any device capable of generating a vibration field. The generator unit 114 is typically mounted near the main rotor 126 when the vehicle is a helicopter, and is mounted at an appropriate position when the vehicle is another vehicle. The generator units 114 (a) and (b) are attached to the vehicle 122 and effectively generate a vibration reduction field. This vibration reduction field is used to counteract the vibrations generated from the aforementioned vibration load sources that adversely affect the dynamics of the vehicle 122.
[0021]
FIG. 2 shows a block diagram of the system 10 that includes a control circuit 118 coupled to the sensor unit 110 and the vibration generator unit 114. The sensor unit 110 generates a vibration signal corresponding to ambient vibration detected in the environment, typically inside a vehicle. This signal is sent to the control circuit 118 via the intermediate connector 136. The control circuit 118 includes a processor, shown as 148, one or more monitoring unit 144, such as a CRT, a memory 146 storing a plurality of modules, typically data structures, and one or more vehicle dynamics. It is appropriate to consist of a combination with the data matrix 147. The control circuit 118 includes one or more Kalman filters 140 (a) (i). The control circuit 118 includes an algorithm and software or hardware instructions, and inverts the vibration signal received from the sensor 110 or processes the received signal to generate an inverted vibration signal. Unit 114 generates a vibration reduction field. The processing commands for the control device 118 are appropriately stored in the memory 146 of the control circuit 118 or downloaded to the control circuit 118 as software. The memory 146 also stores information related to vehicle dynamics. This information is typically stored as a data matrix 147 containing data indicating an estimate of the vehicle's response based on previous vibration generator forces. Alternatively, the contents of this data matrix may be stored in a memory arranged away from the control circuit 118. The control circuit 118 includes one or more Kalman filters 140 (a)... (I) (where i is any number according to the design of the system, but in this specification a plurality of Kalman filters 140 (a). Described as a single Kalman filter 140).
[0022]
The Kalman filter 140 updates the state estimate based on the previous state estimate and the input of observed or measured system variables. These system variables may be measured in real time so that system variable data can be input directly into the Kalman filter 140, or may be accumulated before the system variable data is input into the Kalman filter 140.
[0023]
The controller algorithm, suitably stored or pre-programmed in the control circuit 118, processes the signal received from the sensor 110 and generates an appropriate control signal that is sent to the vibration generator unit 114 via the intermediate connector 138. Mechanism.
[0024]
Ambient vibration measurements measured by the sensor 110 over a period of time may be collected in an nx 1-dimensional vector denoted as Z. Similarly, the force exerted by the vibration generator (actuator) 114 may be collected in an mx1-dimensional vector denoted by U. The relationship between the change in actuator force (ΔU) and the resulting change in sensor measurement (ΔZ) may be expressed as the matrix equation ΔZ = τΔU. Here, τ is an nxm-dimensional data matrix 147 (values stored in the data matrix τ 147 are appropriately used in the above-described equation). The values of the elements of the data matrix τ 147 are determined by physical properties, ie the vehicle's structural dynamics, and are stored appropriately in the matrix 147. This matrix 147 is shown in the control circuit 118, but may be suitably arranged away from the control circuit 118 and communicated with the control circuit 118. Examples of parameters of the data matrix τ are as follows. τ11Is the change in the response at the sensor number 1 due to the unit change of the force command at the actuator number 1,12Is a change in response in the sensor number 1 due to a unit change in force command in the actuator number 2.
[0025]
Typically, the magnitude of ΔU and ΔZ indicates a measure of a quantity that is the result of manipulating the actual quantity to produce a function of that quantity (eg, electrical signal amplification and attenuation or signal processing). . Many algorithms may be used to determine control based on this model. One example of such an algorithm that attempts to minimize the scalar figure of merit is:
[0026]
[Equation 5]
Jcost= ZTWZZ + UTWUU + ΔUTWΔ UΔU
Where WZIs the diagonal weighting matrix of sensor measurements, WUIs a diagonal weighting matrix that constrains the manipulated variable, WΔ UIs a diagonal weighting matrix that constrains the change rate of the manipulated variable, ΔU is a change in actuator force, U is an actuator command force, Z is an ambient vibration signal, and T is a transposed matrix of a vector or matrix.
[0027]
Using the above objectives in the context of discrete time control applications, the control algorithm for the i th step takes the form:
[0028]
[Formula 6]
ΔUi=-(ΤTWZτ + WU+ WΔ U)-1[WUUi-1+ ΤTWZ(Zi-1]]
Here, (−1) indicates matrix inversion, and τ is the above-described transfer matrix relating to sensor response change with respect to actuator command change.
[0029]
A very important component of the performance of this control algorithm is the accurate identification of the data matrix τ 147 in which the elements are stored, ie the determination of the value of τ that appropriately characterizes the structural dynamics of the vehicle. One way to do this identification before operating the control circuit 118 is to simply command one actuator force at a time from each actuator 114 while measuring the response at each sensor 110. However, in the conventional ambient vibration reduction system, this is difficult when the elements of the data matrix τ147 are non-constant, that is, when the elements of τ change during operation. In the case of a vehicle active vibration control system such as a helicopter, many factors cause non-constant elements of the data matrix τ 147. For example, when the rotor blade speed changes and the frequency changes, the sensitivity of the sensor 110 response due to the actuator force changes due to a change in the relationship between the excitation frequency and the natural frequency of the helicopter fuselage. Some other factors that can produce changes in the elements of the data matrix τ 147 are changes in the fuselage mass distribution resulting from passenger movement or fuel consumption, which affects the structural dynamics of the helicopter.
[0030]
If the values of the elements of the data matrix τ 147 used in the control circuit 118 do not accurately reflect the characteristics of the vehicle, the performance of the control circuit 118 can be significantly degraded to some point of instability. In order to more accurately determine the value of τ, which is an element of the data matrix τ147, the Kalman filter can be used in the following form.
[0031]
[Expression 7]
τi= [ΤT i-1+ Ki(ΔZi T-ΔUi TτT i-1]]T
Where KiIs the Kalman gain matrix, Ki= PiΔUiRi -1, Mi= Pi-1+ Qi-1, Pi= Mi-MiΔUi(ΔUi TMiΔUi+ Mi)-1ΔUi TMi, ΔU is a change in actuator force, ΔZ is a change in sensor signal, T is a transpose matrix, R is a covariance of vibration measurement noise, Q is a covariance of system noise, ie a change in operating environment or system structure dynamics This is the covariance of fluctuations in vibration due to changes.
[0032]
The Kalman filter reflects changes in the vehicle's structural dynamics in the estimate of τ while filtering out the effects of measurement and system noise.
[0033]
  In the derivation of the Kalman filter, the quantities (R) and (Q) are the covariances of the force vectors that cause the measurement signal noise covariance and state changes, respectively. When the Kalman filter is used to identify the matrix τ, the meaning of “measurement noise signal” is more generallyInterpretationIe, it must be interpreted as noise in the τ matrix,It is important to recognize. τline; queue; procession; paradeEach ofRatio of change in sensor response to change in actuator commandAsSince it is valid, “measurement noise” is a function of the change in actuator command.
[0034]
  Figure 3 shows the measured τ matrixofElement t11Variability as a function of actuator command changeAnd thisByτ matrix noiseChanges in actuator commandDependIs shown. τ11= ΔZ11/ ΔU11 BeI.e. t11But,In response to changes in commands in actuator 1AgainstSensor 1 measurementIsRatio of change in response,I want you to remember that. To the actuatorA range offingerDecreeApply to systemdo itTo each change of actuator commandforA series of experiments was performed to measure the change in response that occurred. Figure 3 shows the change in command on the x-axis for a number of samples.When, Ratio of changes in response to command changes on the y-axis (ie τ matrix elements)And the relationshipThe results of plotting are shown. A hatched area 310 indicates a range of values. Small value of ΔUAgainstτ matrix value range is,For large values of ΔUAgainstThan the range of τ matrix values,Very widthofwideBecome a thing(Ie, τ matrix noise increases as ΔU decreases)Want to be. This relationship exists even if the noise associated with the measurement of Z is independent of U.
[0035]
  FIG. 3 shows that the covariance values (R) and (Q) need to be defined in order to control the noise. In many systems using Kalman filter, (R) and (Q) are kept constant.HaveThe When using a controller that uses a local model, that is, the “input” of the system is absoluteTypicalActuator forcenot,In the case of actuator force changes, it is more appropriate to see the quantities (R) and (Q) as a function of actuator command changes. Expressed appropriately, the information collected when the system is exposed to a large command is weighted more heavily in the estimation of τ than the information collected when the command change is small.
[0036]
In order to more accurately define the elements of the data matrix τ, the covariance (R) of the Kalman filter algorithm is defined as follows.
[0037]
[Equation 8]
R = (Kvar/ | ΔUi|)N
Where KvarIs an empirically derived constant whose value is close to the value of ΔU that produces a higher response change than the noise present in the system. KvarThe value of is used as a weighting constant. Quantity | Ui| Is the magnitude of the control vector change, ie | ΔUi| = SQRT (ΣΔUi 2). N is an integer of any value, but is typically a real number greater than 1 and is established by testing. As described above, the effect of using (R) in the Kalman filter algorithm is that the change of the element of the data matrix τ is the actuatorof powerchangeΔU i Is a function of
[0038]
In particular, the use of (R) in the form described above places emphasis on information gathered during large changes in actuator commands and not on information gathered during small changes in order to estimate τ. By doing so, the adverse effect of noise in the estimation of the τ matrix is greatly reduced.
[0039]
  FIG. 4 shows a flowchart of the steps for generating the control signal generated by the control circuit. The control signal includes actuator force data and data from a data matrix τ that has been repeatedly updated based on information previously or previously stored in the control circuit. This process starts by detecting vibration and generating a detected vibration signal, as shown in step 402. The detected vibration signal is sent to the control circuit as shown in step 404. Step 405 indicates that the detected vibration signal is processed. In step 406, the actuator force is calculated to minimize vibration detected by the vehicle. This calculation is based on the current values in the data matrix τ. In step 408, a signal for generating the actuator force calculated in step 406 is sent to the actuator. The actuator generates a vibration force that nullifies or detects a detected vibration of the vehicle. As shown in step 410, the ambient vibration is detected by the above-described sensor, for example. These sensors send the detected ambient vibration signal to the control circuit. In step 412, the control circuit receives the ambient vibration signal and uses the input to calculate an updated estimate in the data matrix τ. This update process utilizes Kalman filtration and covariance values (R). Covariance (R) has an adaptive feature that uses input data from previous compensation forces acting on the vehicle to determine the effectiveness of the force based on its magnitude and noise level. Use this covariance (R) to calculate a new estimate for the data matrix τCanTherefore, the second control signal is calculated to activate the second actuator force (ie, the vibration generator generates vibration in response to the second control signal). Typically, this control signal data is in a matrix formatAsAccumulated. When the control signal is generated by the control circuit, the control circuitthisA control signal based on the command matrix is sent to the actuator. These actuators receive the transmitted control signal and generate a compensation force to cancel the detected vibration, reducing ambient noise in the vehicle, as shown in step 413. This process is repeated as long as the system operates as shown in step 414.
[0040]
FIG. 5 shows a graph 50 of test data for a typical data matrix element τ, as identified by Kalman filter data. The size of the τ matrix element was plotted on the Y axis and the time was plotted on the X axis. FIG. 5 illustrates the advantages of the present invention by showing the size of the τ matrix element in response to changes in frequency input. A first frequency was introduced, a second frequency was entered, and then the system was returned to the first frequency to determine the τ matrix response (ie, a second frequency indicating a command was entered to enter the system for that command) The response was determined and how well the detection noise was reduced). During the first half of the test (time 0-1000 seconds) as indicated by line 512, the τ matrix elements varied. The second part of the experiment, starting at a time equal to 1000 seconds as shown by line 536, shows an improved τ matrix response.
[0041]
The portion of the graph shown as 514 shows the τ matrix elements identified during the first input to the actuator at the first frequency. The second frequency input was introduced at point 518. Point 520 represents the second input of the first frequency. As indicated by the 522 portion of the graph, the τ matrix elements varied substantially and did not return to the first frequency magnitude.
[0042]
At point 528, the present invention was implemented to determine the τ matrix response to changes in frequency. A first frequency was input at point 530 and a second frequency was input at point 531. At point 532, the first frequency was entered. Portion 534 indicates that the τ matrix element is invariant and has not changed substantially using the present invention.
[0043]
As shown in FIG. 5, the present invention generates an unchanging vibration load with reduced fluctuations. Relatively consistent operation with reduced fluctuations produces the desired vibration reduction characteristics and improves the environment inside the vehicle. The first part 512 of the controller repeats (time 0-1000 seconds) did not utilize the present invention and therefore varied significantly more than the second part 536 (time 1000-2000 seconds) utilized the present invention. . Therefore, when the τ matrix element is a function of covariance (R) as described here, the variation is significantly reduced. The improved tracking of the τ matrix element can be used to substantially reduce noise in the vehicle.
[0044]
FIG. 6 shows a graph 60 that is a plot of figure of merit data for τ matrix elements obtained with the test vehicle used in the test described with respect to FIG. The figure of merit was plotted on the Y axis and the time (seconds) was plotted on the X axis. The points shown in FIG. 6 correspond to the points in FIG. 5 except that 5 is changed to 6. During the first 1000 seconds of operation shown as line 612, testing was performed without implementing the present invention. A figure of merit was calculated for the first frequency operation at time zero, indicated by point 614. Point 618 indicates the figure of merit when the second frequency is introduced into the test. Point 620 indicates the figure of merit when the system operates at the first frequency. As shown by this graph, the figure of merit at point 622 substantially fluctuated.
[0045]
At point 628, a test was conducted using the improved on-line identification method of the present invention. Point 630 represents a figure of merit operating at the first frequency. A second frequency was input at point 631 and a first frequency was input at point 632. During the 634 portion, the figure of merit varied very slightly. The 636 portion (according to the invention) shows a significant reduction in the figure of merit variation compared to the 612 portion (not using the invention). As can be seen from FIG. 6, the improved filtration achieved by using a dynamic τ matrix that is a function of covariance (R) substantially eliminated the variation in figure of merit.
[0046]
The present invention is also applied to a flight simulator device. In such an embodiment, simulated vibrations and simulated actuator forces can be generated. The simulated data can be used to generate a data matrix. As a result, simulated vehicle motion can be obtained and stored in computer memory.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a helicopter environment for the present invention.
FIG. 2 is a block diagram of components of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the relationship of τ matrix elements as a function of actuator command level changes.
FIG. 4 is a flow chart illustrating generation of a control signal that includes dynamically enabled and updated parameters.
FIG. 5 is a graph showing matrix elements of the dynamic data of the vehicle of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing a figure of merit of the present invention.

Claims (9)

乗り物(122)に取り付けられるように適合し、第一および第二の検知状態に対応する連続する第一および第二の周囲振動信号を発生させる少なくとも1つのセンサ(110)と、
前記乗り物(122)に取り付けられるように適合し、前記乗り物(122)に加えられるアクチュエータ力を発生させる少なくとも1つのアクチュエータ(114)と、
前記センサ(110)および前記アクチュエータ(114)に連結され、少なくとも1つのアクチュエータ力を、このアクチュエータ力に対する少なくとも1つのセンサ応答と関連させるデータを蓄積するデータモジュール(147)と、
カルマンフィルタ(140)を含み、前記センサ(110)から第一および第二の周囲振動信号を連続して受信し、前記データモジュール(147)から蓄積したデータを受信し、前記第一の周囲振動信号に対応して前記アクチュエータ(114)に第一の制御信号を送る制御回路(118)と、からなり、
前記制御回路(118)が、カルマンろ過アルゴリズムと、アクチュエータ力の変化の関数である共分散値とを利用して、前記データモジュール(147)中のデータを修正し、
前記制御回路(118)が、前記第二の周囲振動信号と前記データモジュール(147)の修正データの関数である第二の制御信号を送ることを特徴とする、乗り物(122)に取り付けられるように適合して、検知状態に対する乗り物の応答を改善する装置(10)。
At least one sensor (110) adapted to be attached to the vehicle (122) and generating successive first and second ambient vibration signals corresponding to the first and second sensing conditions;
At least one actuator (114) adapted to be attached to the vehicle (122) and generating an actuator force applied to the vehicle (122);
A data module (147) coupled to the sensor (110) and the actuator (114) and storing data relating at least one actuator force to at least one sensor response to the actuator force;
Including a Kalman filter (140), continuously receiving first and second ambient vibration signals from the sensor (110), receiving data accumulated from the data module (147), and receiving the first ambient vibration signal; a control circuit sends the first control signal (118) to the actuator (114) in response to consist,
The control circuit (118) modifies the data in the data module (147) using a Kalman filtering algorithm and a covariance value that is a function of actuator force change ;
As attached to the vehicle (122), the control circuit (118) sends a second control signal that is a function of the second ambient vibration signal and the correction data of the data module (147). A device (10) that adapts to and improves the response of the vehicle to the detected condition.
前記少なくとも1つのアクチュエータ(114)が、前記制御回路(118)から送られた第一および第二の制御信号に応答して、前記乗り物(122)内の検知された周囲振動を低減させる振動場を発生させることを特徴とする、請求項1に記載の装置A vibration field in which the at least one actuator (114) reduces sensed ambient vibrations in the vehicle (122) in response to first and second control signals sent from the control circuit (118). The device according to claim 1, wherein: 前記周囲振動信号がセンサ行列として蓄積され、前記アクチュエータ力がアクチュエータ行列として蓄積され、前記データモジュール(147)中のデータがデータ行列として蓄積されることを特徴とする、請求項1に記載の装置The apparatus according to claim 1, characterized in that the ambient vibration signal is stored as a sensor matrix, the actuator force is stored as an actuator matrix, and the data in the data module (147) is stored as a data matrix. . 前記データ行列の要素が、以下の形態のカルマン方程式によって識別されることを特徴とする、請求項3に記載の装置
【数1】
τi=[τT i-1+Ki(ΔZi T−ΔUi TτT i-1)]T
ここで、Kiはカルマンゲイン行列、Ki=PiΔUii -1、Mi=Pi-1+Qi-1、Pi=Mi−MiΔUi(ΔUi TiΔUi+Mi-1ΔUi Ti、ΔUはアクチュエータ力の変化、ΔZはセンサ信号の変化、Rはノイズ測定の共分散でありアクチュエータ力の関数、Qは力ベクトルの共分散、Tは行列の転置行列、τは行列要素である。
The apparatus of claim 3, wherein the elements of the data matrix are identified by a Kalman equation of the form:
[Expression 1]
τ i = [τ T i-1 + K i (ΔZ i T −ΔU i T τ T i-1 )] T
Here, K i is a Kalman gain matrix, K i = P i ΔU i R i −1 , M i = P i−1 + Q i−1 , P i = M i −M i ΔU i (ΔU i T M i ΔU i + M i ) −1 ΔU i T M i , ΔU is change in actuator force, ΔZ is change in sensor signal, R is covariance of noise measurement and function of actuator force, Q is covariance of force vector, T Is a transposed matrix, and τ is a matrix element.
共分散(R)がR=(Kvar/|ΔUi|)Nであり、ここで、Kvarは経験的に引き出された重み係数、ΔUはアクチュエータ力の変化、Nは1より大きい実数であることを特徴とする、請求項4に記載の装置Covariance (R) is R = (K var / | ΔU i |) N , where K var is an empirically derived weighting factor, ΔU is a change in actuator force, and N is a real number greater than 1. The device according to claim 4, characterized in that it is. 前記データモジュール(147)および前記制御回路(118)がマイクロプロセッサ内に蓄積されることを特徴とする、請求項1に記載の装置The apparatus according to claim 1, characterized in that the data module (147) and the control circuit (118) are stored in a microprocessor. 前記乗り物(122)がヘリコプタであることを特徴とする、請求項1に記載の装置The device according to claim 1, characterized in that the vehicle (122) is a helicopter. 乗り物(122)内の周囲振動を検知し、検知された周囲振動に対応する周囲振動信号を発生させ、一定値をアクチュエータ力の変化によって分割し整数累乗したものに対応する動的な共分散の関数である制御信号を生成するために前記周囲振動信号を処理し、前記制御信号をアクチュエータに出力し、前記制御信号の関数として周囲振動の低減のために振動場を発生させることを特徴とする、コンピュータ読出し可能な媒体に記憶された乗り物(122)のノイズを低減させる方法Ambient vibration in the vehicle (122) is detected, an ambient vibration signal corresponding to the detected ambient vibration is generated, a constant value is divided by a change in actuator force, and a dynamic covariance corresponding to an integral power Processing the ambient vibration signal to generate a control signal that is a function, outputting the control signal to an actuator, and generating a vibration field as a function of the control signal to reduce ambient vibration A method of reducing vehicle (122) noise stored on a computer readable medium. センサ行列に複数の周囲振動信号を蓄積し、データ行列に複数の制御信号を蓄積し、アクチュエータ行列に複数のアクチュエータ力を蓄積し、アクチュエータ力の関数として前記データ行列の要素を修正することを特徴とする、請求項8に記載の方法A plurality of ambient vibration signals are accumulated in the sensor matrix, a plurality of control signals are accumulated in the data matrix, a plurality of actuator forces are accumulated in the actuator matrix, and the elements of the data matrix are corrected as a function of the actuator force. The method according to claim 8.
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